火熱進行中南方路機：如何設計防凍混凝土與抗凍混凝土？全場折

在建筑行業(yè)中，有些施工人員往往把冬期施工的混凝土與結構設計有抗凍等級要求的混凝土都稱為“抗凍混凝土”。筆者認為，冬期施工的混凝土，主要是采取技術措施預防混凝土澆筑后，在未達到受凍臨界強度以前不發(fā)生凍脹破壞就達到了技術要求，應稱為防凍混凝土。而結構設計有抗凍等級要求，混凝土自身應具有長期抵抗凍融循環(huán)能力的，才應稱為抗凍混凝土。

在相關標準規(guī)范中，查不到防凍混凝土的術語，僅能查到“摻防凍劑的混凝土”或“冬期施工的混凝土”等詞語；抗凍混凝土在規(guī)范中的術語是：抗凍等級等于或大于F50級的混凝土。實際上這兩種混凝土技術要求完全不同，但標準規(guī)范沒有給出“防凍混凝土”的定義，或有些施工人員對標準規(guī)范學不夠，因此容易引起一些施工人員對這兩種混凝土產(chǎn)生誤解或混淆。譬如：誤認為“抗凍混凝土就是摻防凍劑的混凝土”或“大熱天為什么要澆筑抗凍混凝土？”等。這些誤解可能造成對抗凍混凝土的生產(chǎn)、澆筑和養(yǎng)護等環(huán)節(jié)的重視不夠而影響到工程質量。

1 、防凍混凝土

防凍混凝土的技術要求是：在冬期施工過程中，采取可靠的技術措施，使混凝土澆筑后盡早凝結硬化，并在未達到受凍臨界強度以前不得發(fā)生凍脹破壞。

當氣溫在0～4℃時，水的活性較低，水泥的水化反應極其緩慢，混凝土的強度發(fā)展不能達到要求。當溫度低于0℃時，混凝土內水分大分凍結。水結成冰后產(chǎn)生9%的體積膨脹，混凝土結構將遭致永久性破壞；另外，水結成冰后，混凝土中沒有足夠的液態(tài)水參與水泥的水化反應，混凝土的強度增長極慢甚至停止。因此，冬期施工澆筑的混凝土宜摻入早強劑或防凍劑，并應在混凝土凝結硬化初期，采取適當?shù)谋鼗蛟鰷卮胧?，充分利用混凝土自身熱量或外熱量（如電熱法、暖棚法等），確保混凝土澆筑后的起始養(yǎng)護溫度：嚴寒地區(qū)不低于10℃；寒冷地區(qū)不低于5℃，使混凝土強度具備正常增長的條件，盡快的獲得受凍臨界強度。

1冬期施工采取的技術措施

冬期施工是混凝土工程質量事故的多發(fā)季節(jié)，這是由于準備工作時間短，技術要求復雜，某一環(huán)節(jié)跟不上或倉促施工造成的。因此，應根據(jù)當?shù)囟嗄隁庀筚Y料統(tǒng)計，提前做好周密計劃和冬施準備工作，避免發(fā)生工程質量事故。冬期施工采取的技術措施主要有：

①材料預熱法：即先將水及砂、石預先加熱，再用于攪拌混凝土；

②蓄熱保溫法：即采用保溫材料覆蓋澆筑后的混凝土，使混凝土澆筑后在一定時間內保持不降溫或緩慢降溫；

③暖棚法：即在施工現(xiàn)場搭建保溫加熱暖棚，使混凝土澆筑后在暖棚內正溫環(huán)境條件下養(yǎng)護，有條件時最好攪拌、澆筑也在暖棚內進行；

④摻入早強劑或防凍劑。

此外，冬期施工的混凝土宜適當提高水泥用量，或采用早強水泥，以及采用高性能減水劑或高效減水劑，盡量減少用水量等技術措施。

采取以上技術措施的目的，是為了控制和提高混凝土的出機溫度和入模后溫度，確保混凝土澆筑后強度具備正常增長的條件，在未達到受凍臨界強度以前不發(fā)生凍害。

2關于早強劑和防凍劑

當今世界混凝土破壞原因按重要性排列的順序是：鋼筋銹蝕、寒冷氣候下的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學作用。因此，摻用早強劑或防凍劑的混凝土應注意要限制氯鹽含量，氯鹽是誘發(fā)鋼筋銹蝕的一個很重要因素，預應力混凝土和鋼筋混凝土應嚴格按有關標準規(guī)范規(guī)定控制混凝土中的最大氯離子含量，避免發(fā)生工程質量事故，造成巨大浪費，國內外許多工程已為此付出了慘重代價。

①混凝土早強劑與組分

能加速混凝土早期強度發(fā)展的外加劑稱為早強劑。在實際使用中，大多為復配早強劑，無機鹽類對混凝土后期強度不利；氯鹽早強劑會引起鋼筋銹蝕；鹽早強劑可能產(chǎn)生體積膨脹，使混凝土耐久性降低；鈉鹽早強劑將增加混凝土中堿含量，與活性二氧化硅骨料產(chǎn)生堿—骨料反應。早強劑過量加入，雖然混凝土早期效果好，但后期強度損失大，鹽析加劇影響混凝土飾面；增加混凝土導電性能及增大混凝土收縮開裂的危險。混凝土早強劑的主要組分有：氯化鈉、氯化鈣、鈉、鈣、鋁、重鉻酸鉀、三乙醇胺、三異丙醇胺、甲醇、乙醇、甲酸鈣、草酸鋰、乙酸鈉等。

②混凝土防凍劑與組分

能使混凝土在負溫下硬化，并在規(guī)定養(yǎng)護條件下達到預期性能的外加劑稱為防凍劑。防凍劑絕大多數(shù)是復合外加劑，應控制早強組分和防凍組分無機鹽類的摻入量，否則使用不當會引起混凝土后期強度倒縮、鋼筋銹蝕及堿—骨料反應發(fā)生。

混凝土防凍劑的主要組分有：防凍組分（如亞鈉、氯化鈉、甲醇、尿素、氯化鈣、碳酸鉀等）、引氣組分（如松香皂、松香熱聚物、烷基磺酸鈉等）、早強組分（如鈉、氯化鈣、鈣、三乙醇胺等）、減水組分（如萘系、三聚氰胺、氨基磺酸等）。

3關于早強劑和防凍劑的選用

我國現(xiàn)行標準《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》（GB50119）第7.3.1條規(guī)定：

①在日最低氣溫為0～-5℃，混凝土采用塑料薄膜和保溫材料覆蓋養(yǎng)護時，可采用早強劑或早強減水劑；

②在日最低氣溫為-5～-10℃、-10～-15℃、-15～-20℃，采用上款保溫措施時，宜分別采用規(guī)定溫度為-5℃、-10℃、-15℃的防凍劑。

4關于冬期施工與受凍臨界強度

臨界強度是冬期澆筑的混凝土在受凍以前必須達到的最低強度。

我國行業(yè)標準《建筑工程冬期施工規(guī)程》JGJ104規(guī)定：根據(jù)當?shù)囟嗄隁庀筚Y料統(tǒng)計，當室外日平均氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定低于5℃（日最低氣溫低于-30℃時）即進入冬期施工；當室外日平均氣溫連續(xù)5d高于50℃時解除冬期施工。該《規(guī)程》規(guī)定冬期澆筑的混凝土受凍臨界強度為：

①普通混凝土采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥配制時，應為設計的混凝土強度標準值的30%；采用礦渣硅酸鹽水泥配制時，應為設計的混凝土強度標準值的40%；但混凝土強度等級為C10及以下時不得小于5.0MPa。

②摻用防凍劑的混凝土，當室外最低氣溫不低于-15℃時不得小于4.0MPa；當室外最低氣溫不低于-30℃時不得小于5.0MPa。

混凝土中摻入合格的防凍劑后，能降低水的冰點，并改變了冰晶結構，使混凝土在負溫條件下不會發(fā)生凍脹破壞，且仍有足夠的液態(tài)水使水泥的水化作用得以繼續(xù)進行；轉入正溫后，混凝土強度能進一步增長，達到或超過設計強度要求。因此，《規(guī)程》規(guī)定摻用防凍劑的混凝土受凍臨界強度明顯比不摻的低。

2 、抗凍混凝土

抗凍混凝土是指結構設計要求混凝土具有長期抵抗凍融循環(huán)的耐久性能，即滿足結構設計規(guī)定的抗凍級別。

當抗凍混凝土在冬期環(huán)境下澆筑時，還必須采取冬期施工的技術措施?？箖龌炷翢o論在什么季節(jié)施工，都必須摻引氣劑來達到結構設計的抗凍級別要求，提高混凝土含氣量（4%～6%）是提高混凝土抗凍性能最有效的技術措施。應用抗凍混凝土的工程主要有：水工、港口、橋梁及公路等。

1抗凍等級和抗凍標號

根據(jù)GB/T50082-2009標準，混凝土抗凍性能按試驗方法不同，分抗凍等級和抗凍標號?？箖龅燃売梅朏表示，而抗凍標號是用符號D表示，兩種方法均采用齡期28d的試件在吸水飽和后，檢測其承受反復凍融循環(huán)下的性能變化。抗凍等級是以試件相對動彈性模量下降至不低于60％或者質量損失率不超過5％時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定；抗凍標號是以抗壓強度損失率不超過25％或者質量損失率不超過5％時的最大凍融循環(huán)次數(shù)來確定。常用的混凝土抗凍等級有：F50、F100、F150、F200、F250、F300等，分別表示混凝土能夠承受反復凍融循環(huán)次數(shù)為50、100、150、200、250和300次。

2影響混凝土抗凍性的因素

影響混凝土抗凍性的主要因素是平均氣泡間距、水膠比、含氣量、骨料和膠凝材料等。

①平均氣泡間距

平均氣泡間距是影響混凝土抗凍性最主要的因素，平均氣泡間距越大，則凍融過程中毛細孔中的靜水壓力和滲透壓力越大，混凝土的抗凍性越低；一般平均氣泡間隔系數(shù)在500μm以下可獲得高抗凍混凝土。

②水膠比

水膠比越大，混凝土中可凍水的含量越多，混凝土的結冰速度越快；氣泡結構越差，平均氣泡間距越大；混凝土強度越低，抵抗凍融的能力越差。水膠比在0.45～0.85范圍內變化時，不摻引氣劑的混凝土抗凍性變化不大，只有水膠比小于0.45以后，抗凍性才隨水膠比的降低而明顯提高；水膠比小于0.35的混凝土，即使不摻引氣劑，也有較高的抗凍性。

③含氣量

在一定范圍內，含氣量越多，混凝土的抗凍性越好。但含氣量超過一定范圍時，混凝土的抗凍性反而降低，原因是含氣量增加在降低平均氣泡間距的同時，降低了混凝土強度（混凝土含氣量每增加1%抗壓強度下降3%～5%）。一般當所用的天然骨料的最大粒徑為10～40mm時，使新澆混凝土中的含氣量達到4%～7%，可獲得足夠的抗凍性。

④混凝土強度

當靜水壓力和滲透壓力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土即產(chǎn)生凍融破壞。因此作為表征抵抗凍融破壞能力的混凝土強度對混凝土抗凍性也有影響。當含氣量或平均氣泡間距相同時，強度高的混凝土抗凍性高于強度低的混凝土。但相對而言，強度對混凝土抗凍性的影響程度遠沒有氣泡結構大。

⑤骨料

當骨料吸水飽和，受凍后在骨料孔隙和骨料-水泥漿界面產(chǎn)生靜力壓力，超過骨料或界面強度時就產(chǎn)生凍害。因此，影響骨料抗凍性的主要因素是骨料吸水率和骨料尺寸。用吸水率大的骨料（如輕骨料）配制抗凍混凝土更依賴引氣劑的摻入；骨料尺寸越大，受凍后越容易破壞，但細骨料對混凝土的抗凍性影響不大。此外，骨料的堅固性、風化程度、粘土含量、雜質含量等對混凝土抗凍性也有影響。

⑥水泥品種和用量

水泥中隨混合材摻入量的增加，混凝土的抗凍性降低，因此抗凍混凝土用硅酸鹽水泥配制要優(yōu)于用其它品種的水泥。對于非引氣混凝土，水泥品種和用量對混凝土抗凍性有一定的影響，而對于引氣混凝土，這種影響不大。

⑦混合材

粉煤灰摻量在一定范圍內，且強度和含氣量相同的條件下，摻與不摻粉煤灰的混凝土抗凍性基本相同。但當粉煤灰摻量超過一定范圍時，會降低混凝土的抗凍性。硅粉摻量不超過10%時，混凝土的抗凍性有所提高，超過15%時抗凍性則會明顯降低。

⑧養(yǎng)護

混凝土澆筑后的早期養(yǎng)護對混凝土結構實體強度有明顯的影響。筆者用C30泵送混凝土，成型150mm的立方體試件進行試驗，從試驗結果來看，澆水養(yǎng)護14d的試件抗壓強度平均比不澆水養(yǎng)護的試件高4.4MPa，28d碳化厚度少1.5～2.0mm；不澆水試件對回彈推定強度的影響更大。充分說明養(yǎng)護方法對混凝土的抗凍性也有一定的影響。因此，混凝土澆筑后應及時采取有效的保濕養(yǎng)護措施，既增強又防裂，提高混凝土的耐久性。(本文來自 南方路機攪拌學院)

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